Jeśli po przeczytaniu tej książki (albo w trakcie czytania) dojdziesz do wniosku, że jest za trudna i nic z tego nie rozumiesz to nic nie szkodzi. Tematyka czarnych dziur jest o niebo trudniejsza od każdej teorii względności Einsteina z osobna i razem wziętych. A te zrozumiały najwyżej trzy osoby na świecie. To oczywiście żart1, ale z małą domieszką prawdy.
O ile Einstein traktował czas i przestrzeń jak plastelinę, ugniatał je, skracał i rozciągał (w pewnym rozsądnym zakresie), o tyle we wnętrzu czarnych dziur rozwiązania równań Einsteina są ekstremalne, wypełnione nieskończonościami. O ile dylatację czasu i zakrzywienie trójwymiarowej przestrzeni można sobie wyobrazić na zasadzie eksperymentu myślowego albo modelowania w wymiarach niższych niż trzy (opowieść o dwuwymiarowych „płaszczakach”), to zatrzymania czasu w sferze horyzontu zdarzeń albo czasu biegnącego do tyłu wyobrazić nie można. Na nic lektury książek s-f i filmy tego gatunku, nasz umysł nie potrafi tego zrozumieć. Pomóc może tylko matematyka, i to nie ta klasyczna tylko jej nowe, mocno abstrakcyjne dziedziny. I o tym jest właśnie przedstawiana książka. Jest próbą przełożenia wzorów matematycznych na coś, co można ogarnąć wyobraźnią. Pomóc w tym mają diagramy Penrose’a, czyli sprytny sposób wyobrażenia elastyczności czasu i przestrzeni na zwykłej kartce papieru. Diagramy Penrose’a wymagają zrozumienia idei, która za nimi stoi, a to wcale nie jest łatwe. Za to, jeśli się już ją zrozumie, niestraszne będą ani czarne dziury, ani tunele czasoprzestrzenne ani wszelkie inne ekstrema z pogranicza fizyki i matematyki.
Co więc takiego szczególnego zawiera książka „Czarne dziury”, że potrzebny był ten nieco przydługi wstęp? Po pierwsze są wzory (bo książka jest poważnym opracowaniem, nie starającym się spłycać tematu). Po drugie autorzy, ludzie nauki, nie stosują uproszczeń i dziecinnych porównań aby trafić „pod strzechy”. Nie traktują tematu anegdotycznie, nie umizgują się do czytelnika. W zamian otrzymujemy chyba pierwszą książkę na polskim rynku, która OPISUJE czarne dziury a nie OPOWIADA o nich.
Większość książek o czarnych dziurach poprzestaje na powierzchownym opisaniu rządzących nimi paradoksów i nieskończoności, traktując temat jako okazję do oszołomienia czytelników czymś niewyobrażalnym. Tak, jakby autorzy nie wierzyli w bystrość Czytelników i wręcz obawiali się zapuszczenia w zaklęte rewiry wzorów matematycznych. A przecież te książki piszą wybitni naukowcy i niemożliwe, aby obawiali się kłopotliwych pytań obnażających ich niewiedzę. Bo o czarnych dziurach wiemy praktycznie tylko tyle ile wie o nich matematyka. Nikt ich nie widział bo nie mógł widzieć. Widziano za to pewne artefakty potwierdzające ich istnienie. Na Ryc. 1 widać dwie supermasywne czarne dziury, jedną, olbrzymią, o masie 6,5 miliarda mas Słońca, w centrum galaktyki M87 (po lewej), druga to nasza (z jądra naszej własnej Galaktyki) czarna dziura Sagittarius A* w gwiazdozbiorze Strzelca o masie „zaledwie” 4,31 miliona mas Słońca (po prawej).
Rzeczywiste czarne dziury na tych zdjęciach leżą w ciemnych (jakże by inaczej) obszarach wewnątrz jasnych pierścieni, z których nawet światło nie potrafi się wydostać.
I w takim właśnie szoku poznawczym Czytelnicy są zwykle pozostawiani przez zadowolonych z siebie autorów artykułów w popularnych czasopismach. Autorzy „Czarnych dziur” idą dalej. Wyposażeni w aparat pojęciowy w postaci diagramów Penrose’a wyjaśniają pojęcia znane nam jedynie jako hasła. Na pierwszy ogień idzie czasoprzestrzeń oraz związane z nią linie świata i stożki świetlne, pojęcia niezbędne do intuicyjnego zrozumienia teorii względności. Na Ryc. 2. jest przedstawiona linia świata (właściwie jej fragment) pewnej wymyślonej osoby. Stożki świetlne są „lejkami”, których powierzchnia jest hipotetyczną trajektorią światła wyemitowanego w punkcie będącym wierzchołkiem tego „lejka”. Każda fizyczna aktywność musi się odbywać wewnątrz jej własnego stożka świetlnego.
Następnie oswajają nas z myślą, że siła grawitacji może nie istnieć i może być zastąpiona zakrzywieniem (zniekształceniem) przestrzeni i że czas może być traktowany (prawie) na równi z wymiarami przestrzennymi. Nasze zmysły, z przyczyn naturalnych, zauważają tylko trzy wymiary w tzw. kartezjańskim (prostokątnym) układzie współrzędnych, nie możemy więc nawet wyobrazić, że osie współrzędnych mogą się zakrzywiać w jakimś dodatkowym czwartym wymiarze. Tu Autorzy sięgnęli po nieśmiertelny model Płaszczaków, czyli istot żyjących w świecie dwuwymiarowym. Niestety, ten chwyt dydaktyczny nie jest dostateczny użyteczny przy dalszym drążeniu tematu, w szczególności przy opisywaniu czarnych dziur. I tu, tadam, do gry wchodzą diagramy Penrose’a, pomysł Rogera Penrose’a, matematyka, fizyka i noblisty. Diagram Penrose’a dla płaskiej czasoprzestrzeni wygląda następująco:
Trzy wymiary przestrzenne są tu zastąpione jednym wymiarem, drugim jest czas, wszystko mieści się na kartce papieru. Widać tu też odpowiednik stożka świetlnego (linia falowana).
Zaopatrzeni w tak znakomitą pomoc naukową jaką są diagramy Penrose’a możemy zagłębić się w najbardziej egzotyczne zakamarki czarnych dziur i horyzontów zdarzeń. Niestraszne są też nam nieskończoności (pełno ich), gdyż na diagramie Penrose’a każda krawędź i każdy wierzchołek są jakąś formą nieskończoności. Na przykład diagram dla czarnej dziury Schwarzschilda wygląda tak:
Nie będę tu pisał streszczenia książki, dodam tylko, że omawiane są w niej tak egzotyczne pojęcia jak białe dziury, tunele czasoprzestrzenne, wirujące czarne dziury Kerra, szybko wirujące czarne dziury, kolaps grawitacyjny i parę innych rzeczy.
Dużo miejsca Autorzy poświęcają termodynamice czarnych dziur, analizie entropii, tego, co dzieje się z informacją „wpadającą” poza horyzont zdarzeń, powiązanym z tym wszystkim promieniowaniem Hawkinga, splątaniu kwantowemu a nawet analizują hipotezę wszechświata „holograficznego”, bez mała matriksowego. Te quasi-filozoficzne rozważania są, jak przystało na matematyków, przeprowadzone metodami niefilozoficznymi.
Chciałbym zakończyć niebanalnym cytatem, ale jedyne co przychodzi mi do głowy to Czarne dziury nie są czarne Stephena Hawkinga.
- Kiedy ktoś zapytał Arthura Eddingtona, czy to prawda, że tylko trzy osoby rozumieją teorię względności, Eddington miał podobno odpowiedzieć: „Zastanawiam się, kim jest ta trzecia osoba”. ↩︎